15-03-2022

Всесторонний анализ топологии печатной платы в Altair PollEx для Altium Designer. Часть 1. Проверка топологии перед производством

Евграфов А.

Внедрение моделирования в процесс разработки печатной платы позволяет инженерам-конструкторам выявлять потенциальные проблемы изготовления и монтажа печатных плат на ранних стадиях проектирования. Верификация топологии печатных плат является необходимым шагом для снижения производственных, финансовых и временных затрат. Комплексный подход включает проверку как электрических характеристик печатной платы (DFE, DFE+, LDFE), так и параметров для изготовления и монтажа печатной платы (DFM, DFA). В статье рассмотрены возможности Altair PollEx – программного решения компании Altair Engineering, предназначенного для анализа, проверки и верификации печатных плат на любой стадии проектирования.

Современные программные инструменты предоставляют мощные средства для быстрого и точного обнаружения широко распространенных дефектов печатных плат, которые в противном случае потребовали бы тщательного ручного анализа, лабораторного тестирования или натурных испытаний.

Рис. 1. Altair PollEx предоставляет полный набор инструментов для моделирования, анализа и верификации электронных систем

 

Altair PollEx – это программное решение, которое значительно ускоряет разработку электронных устройств благодаря комплексному моделированию и верификации топологии печатной платы (рис. 1). Altair PollEx включает в себя инструменты для анализа целостности сигналов (SI) и питания (PI), теплового анализа (Thermal), а также проведения более 1 500 проверок топологии на технологичность (DFM), сборку и монтаж (DFA), соответствие электрическим характеристикам (DFE) из единого интерфейса (рис. 2). Инструменты для анализа целостности сигналов позволяют проанализировать и оптимизировать линии передачи сигналов, выполнить анализ глазковой диаграммы, перекрестных помех, памяти DDR. Эти инструменты предоставляют возможность провести анализ во временной и частотной области. Анализ целостности питания дает возможность проанализировать шумы (перекрестные помехи) при одновременном переключении сигналов, а также выполнить анализ падения напряжения по постоянному току, анализ распределения питания по переменному току, анализ питания по переменному току с применением развязывающих конденсаторов.

Рис. 2. Altair Pollex позволяет провести комплексный анализ и верификацию топологии печатной платы из единого интерфейса

 

Тепловой анализ печатной платы осуществляется с использованием метода конечных элементов. Построение сетки происходит автоматически, температура рассчитывается на верхней и нижней стороне корпуса компонента с учетом температуры перехода. Пользователь может задать граничные условия и добавить радиаторы для улучшения характеристик печатной платы.

Верификация топологии печатной платы на соответствие электрическим характеристикам включает в себя более 400 проверок. Правила сгруппированы по категориям: правила для высокоскоростных сигналов, дифференциальных пар, цепей, питания, компонентов и топологии платы. Пользователь может найти нарушения, связанные с расположением переходных отверстий, экранированием, путями обратного тока, длиной и шириной дифференциальных пар и др. Для повышения эффективности работы можно настроить правила, экспортировать их в отдельный файл и использовать их в дальнейшем при верификации топологии.

Пользователям Altium Designer бесплатно доступна ограниченная версия Altair PollEx for Altium, которая позволяет провести базовый анализ целостности сигналов, тепловой анализ, электрическую верификацию и анализ технологичности печатной платы. Для установки Altair PollEx необходимо перейти во вкладку Extensions and Updates и выбрать для установки Altair PollEx. После установки в меню Altium Designer появится отдельная вкладка Altair PollEx (рис. 3). Тесная интеграция Altium Designer и Altair PollEx позволяет разработчику экспортировать проекты и проводить всесторонний анализ и верификацию топологии печатной платы. Обнаруженные ошибки подсвечиваются в Altium Designer и могут быть сразу исправлены.

Рис. 3. Тесная интеграция Altium Designer и Altair PollEx позволяет инженеру разработчику экспортировать проект непосредственно из меню Altium Designer

 

Рассмотрим верификационные инструменты Altair PollEx для анализа технологичности топологии печатной платы, которые позволяют обнаружить часто встречающиеся ошибки при производстве.

В процессе производства может возникнуть такой дефект, как кислотные ловушки – места подтравов на печатной плате, которые чаще всего образуются в острых углах между проводниками (рис. 4). Проводники, соединенные под углом менее 90°, создают в процессе производства ловушки, где собирается остаточная кислота, особенно перед промывкой платы. Это может вызвать коррозию или обрыв цепи, что приводит к отказу.

Рис. 4. Кислотные ловушки могут вызвать коррозию или обрыв цепи, что приводит к неисправной работе

 

Следует обратить внимание, что к появлению кислотных ловушек могут также привести проводники, соединенные с переходными или сквозными отверстиями без каплевидных соединений. С помощью Altair PollEx инженер может проверить трассировку на наличие острых углов. Эта проверка обнаруживает проводники, подключенные к контактным площадкам под углом 90°, что позволит исправить трассировку, которая может вызвать проблемы при травлении. В результате этой проверки будут также помечены цепи, у которых угол трассировки отличается от 45 или 90°. Использование проверки Teardrops позволяет выявить контактные площадки без каплевидных соединений, в частности для компонентов в корпусе типа DIP, где возможна вероятность пробоя отверстия (рис. 5).

Рис. 5. Altair PollEx позволяет найти контактные площадки без каплевидных соединений

 

Микросхемы в корпусах типа BGA являются наиболее часто используемым компонентом в сложных высокоскоростных платах с высокой плотностью компоновки. Необходимо учитывать ряд факторов для обеспечения надежной работы BGA-микросхем. Исправление некоторых из возможных проблем после изготовления печатной платы может повлечь за собой дополнительные затраты с точки зрения времени и ресурсов. Большинство проблем при использовании BGA-микросхем связано с контактными площадками для «массива шариковых выводов», расположенного с обратной стороны микросхемы. Корректные величины зазоров вокруг каждой контактной площадки обеспечивает правильный монтаж BGA-микросхем. С помощью Altair PollEx разработчик может проверить зазор между контактными площадками микросхемы и переходными отверстиями (рис. 6). При трассировке BGA-микросхемы переходные отверстия между контактными площадками должны в идеальном случае располагаться в центре четырех контактных площадок BGA-корпуса. В противном случае припой, образованный на контактных площадках, может проникнуть в переходные отверстия, поскольку площадь маски для нанесения припоя больше площади металлизированной контактной площадки.

Рис. 6. Altair PollEx позволяет найти нарушение зазора между контактными площадками BGA-микросхемы и переходными отверстиями

 

В процессе производства может возникнуть также эффект «надгробного камня» (Tombstone) из-за неправильного смачивания припоем контактной площадки или вывода компонента. При плавлении паяльной пасты неравномерная сила натяжения на концах выводов компонента приводит к тому, что компонент приподнимается с одной стороны. С помощью Altair PollEx инженер может контролировать соотношение ширины подключенных проводников к контактной площадке, используя проверку Connected Pattern Direction (рис. 7). Из-за несоответствия теплоотдачи двух контактных площадок одну из них нужно сильнее нагревать, чтобы обеспечить правильное соединение. Следовательно, разница температур создаст дисбаланс силы натяжения при смачивании припоем, что приведет к эффекту «надгробного камня». Чтобы предотвратить проблему необходимо убедиться в том, что соотношение ширины подключенного проводника и контактной площадки находится в допустимых пределах.

Рис. 7. Altair PollEx позволяет найти нарушения, вызванные эффектом «надгробного камня» на печатной плате

 

После изготовления плату обычно тестируют, чтобы удостовериться в отсутствии коротких замыканий и обрывов в цепях. После монтажа компонентов плату часто тестируют повторно, чтобы проверить целостность сигналов и работоспособность платы. Для проведения тестирования на плате, как правило, предусматривают так называемые контрольные точки (Testpoints), на которых с помощью испытательного оборудования можно снять показания и выполнить необходимые тесты. Обычно контрольные точки включают в топологию печатной платы для тестирования критических цепей и компонентов, связанных с питанием или находящихся в труднодоступных местах, но некоторые из них можно пропустить при разработке платы. Altair PollEx проверяет наличие контрольных точек для указанных компонентов и цепей (рис. 8).

Рис. 8. Altair PollEx проверяет наличие контрольных точек в цепях и компонентах печатных плат

 

Важную роль при производстве и монтаже печатной платы играет слой шелкографии (слой маркировки), который предназначен для облегчения процесса монтажа компонентов и размещения дополнительной справочной информации. Слой шелкографии содержит следующую информацию: контуры компонентов, обозначающие зоны, в которых они должны быть установлены; индикатор первого вывода (для сложных многовыводных микросхем индикатор первого вывода помогает правильно разместить компонент на печатной плате); позиционные обозначения (они не должны размещаться под компонентом, поверх контактных площадок и переходных отверстий, чтобы не усложнять процесс пайки). Важно убедиться, что информация, расположенная на слое шелкографии, представлена точно, чтобы избежать каких-либо несоответствий в топологии.

Рис. 9. Altair PollEx проверяет корректность обозначений компонентов на печатной плате

 

При использовании Altair Pollex разработчик может выполнить проверку Reference Name Checking, которая контролирует позиционные обозначения компонентов и наличие индикатора первого вывода для сложных многовыводных компонентов (рис. 9). С помощью проверки Check for reference names overlapping with other objects (components, pads and holes) пользователь может убедиться, что в топологии нет пересечений позиционных обозначений с другими объектами (компонентами, контактными площадками, отверстиями). Следует избегать размещения позиционного обозначения на определенных объектах на плате, чтобы предотвратить ряд проблем: шелкография в отверстиях и шелкография на проводнике могут создать проблемы целостности сигналов и питания, а шелкография на паяемых поверхностях может ухудшить надежность паяных соединений.

Эффективная передача результатов верификации топологии печатной платы так же важна, как и проведение самой верификации. В PollEx DFx реализована функция экспорта, с помощью которой можно передавать информацию о проведенных проверках в формате Excel. Кроме разработчиков печатных плат, PollEx обеспечивает эффективную рабочую среду для технологов SMT-процессов, которые могут быстро получить данные для трафаретов, сборки, монтажа и тестирования печатных плат.

Рассмотрим несколько инструментов PollEx, которые повышают эффективность работы инженеров-технологов.

Рис. 10. Менеджер трафаретов в Altair PollEx используется для управления изменениями в топологии трафаретов печатных плат и сравнения с базой данных стандартных трафаретов

 

Менеджер трафаретов. После изготовления печатной платы с помощью трафарета на нее наносят слой паяльной пасты для пайки компонентов поверхностного монтажа. После того как наносят пасту, плата помещается в автомат для установки компонентов. В это время флюс, содержащийся в паяльной пасте, удерживает все детали на месте до тех пор, пока не завершится весь процесс установки компонентов. Altair PollEx содержит базу данных стандартных трафаретов, управляет историей изменений трафаретов и контролирует отличия топологии печатной платы от стандартных трафаретов из базы данных (рис. 10). Пользователь может управлять несколькими базами данных трафаретов или изменять трафарет печатной платы в соответствии с унифицированными стандартами.

Рис. 11. Создание JIG-блоков в Altair PollEx для проверки технологичности печатных плат с точки зрения оборудования для трафаретной печати

 

Создание JIG-блоков. Создание JIG-блоков в Altair PollEx используется для проверки технологичности печатных плат с точки зрения оборудования для трафаретной печати (рис. 11). Устойчивое положение печатной платы обеспечивает равномерное нанесение припоя в процессе поверхностного монтажа. При изменении формы печатной платы необходимо также корректировать JIG-блоки. Быстрое создание проектного чертежа с JIG-блоками возможно с использованием проектных данных печатной платы, Gerber- файлов или мультиплицирования печатной платы (объединения нескольких рисунков печатной платы на одной заготовке для сокращения затрат на производство).

Рис. 12. Инструменты эмулятора монтажа в Altair PollEx позволяют быстро и легко проверить правильность монтажа печатной платы

 

Эмулятор монтажа. Altair PollEx включает в себя набор инструментов для проверки монтажа на основе библиотек 3D-компонентов, созданных с помощью UPE (PollEx Unified Part Library Editor). Разработчик может проверить корректность расположения компонентов, а также проанализировать координаты и углы размещения компонента (рис. 12). Полученные результаты можно экспортировать в Microsoft Excel.

* * *

Программные решения компании Altair Engineering предоставляют возможность инженерам совместно работать над всеми аспектами разработки печатных плат, включая комплексное и междисциплинарное моделирование. Использование Altair PollEx позволяет оптимизировать процесс проектирования и сократить время выхода на рынок, обеспечивая при этом высокую производительность, надежность и соответствие требованиям стандартов.

 

А. Евграфов, генеральный директор ООО «ЭЛМ», ae@elm-c.ru.

Статья впервые опубликована в журнале "ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ" № 3 за 2022 год.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. How simulating for PCB manufacturing drives profitability. Altair Technical Paper.
2. www.altair.com.
3. www.elm-c.ru.

 

Понравилась статья? Поставьте лайк 0

---

Электроника